[发明专利]斜面上力的合成与分解一体化实验仪

说明书

“斜面上力的合成与分解一体化实验仪”是教学实验室和物理实验室设备中的实验器材。它解决了传统仪器由于采用弹簧秤测力而无法精准测量的问题，更实现了可在设备上直接显示测力数值以及将数值通过有线或无线的方式传输给电脑这些传统仪器不具备的功能，从而可以在电脑屏幕上显示连续的测力曲线。本发明创新采用一体化结构设计、测力应变片、相关电子电路和计算机软件等技术路径，实现了当斜面与水平面夹角在0度至90度之间连续变化时，对两斜面垂直压力的连续测量，并在计算机屏幕上显示出测量曲线，同步验证了斜面上力的合成与分解原理。

技术领域

教学实验室和物理实验设备中的实验器材。

背景技术

现有的教学实验室和物理实验设备中的“斜面上力的分解”实验仪采用弹簧秤作为测量设备来进行试验。将被测物体放置在实验仪器上，调整角度，通过弹簧秤的读数来读取两个力的大小，然后在纸上描点绘图，通过这种方式来验证斜面上力的分解原理。由于这种实验仪器使用的弹簧秤精度不高，从而造成原理验证存在误差。加之无法连续测量，自动读取数据，且也无法利用计算机来辅助教学，在电脑和自动控制技术高度发展的今天，已显得落后，不适用。

发明内容

传统的实验设备无法精准测量，无法与计算机连接而获得直观的图像，也无法进行连续测量。为了克服这个缺点，设计能兼顾常规实验中通过读数来绘图，同时也能利用计算机辅助实验的实验设备，以便能快速、精准验证斜面上力的合成与分解原理，为此，我设计了这个数字化“斜面上力的合成与分解一体化实验仪”。

发明内容包括三个方面：一体化结构设计、测力部分设计和电路设计。

1.一体化结构设计

如图2所示，新发明设备设计采用相互垂直的两个斜面构架，通过转轴座固定在底座板上，构架转动时，可通过弧形角度板读出斜面与底座板之间的夹角(夹角变化范围为0度至90度)。配重桶可随时放置与移除，且可更换。一体化结构设计的实验仪包括力的测量与显示，测量值通过USB口传输到电脑，测量值通过无线传输方式传输到电脑，相关电脑配套软件。

2.测力部分设计

如图2所示，两个斜面上均安装了测力装置。测力装置由配重桶支撑架与测力应变片连接构成。如图4所示。当有压力时，应变片会产生微小形变，该形变将改变测量接触面的电阻值，从而产生输出电压的微小变化。通过小信号处理电路，将信号放大后，借助单片机通过算法处理最终映射为压力数据送到数码管显示。

3.电路设计

“斜面上力的合成与分解一体化实验仪”电路设计部分如图5所示，框图中包括电源管理模块、小信号处理模块、数码管显示模块、蓝牙通讯模块、按键部分和单片机模块。详见说明书“附图说明”部分。

4.配套计算机软件

配套计算机软件包括单片机软件和PC端软件。

单片机软件的主要功能是如何获取“应变片”输出的信号，并将信号转换成数据，这种工作是通过ADC实现的，数据采集后还要再把数据作一些必要处理，如过滤一些无效数据，数据转换(将电压采集数据转换成电压值等)，再进行数据封装，组装成PC所需要的数据帧格式，再将数据传递给蓝牙无线模块，通过无线的方式发送出去，在接收部分，蓝牙无线模块收到数据包后，再次组装成USB数据包，通过USB接口传递给PC。

PC端软件是面向用户使用的计算机软件，用于显示、处理、分析实验数据。总结：本发明集一体化结构设计、测力部分设计、电路设计和配套软件设计于一体，实现了斜面上力的合成与分解原理验证功能。

该教具相较于传统教具有如下几个方面的创新点：

①一体化教具

该教具为一体化教具，无需其他教具、传感器等配合即可实验，实验方便快捷，易操作、易维护。